1870: Lord Rayleighs Studie zur Berechnung der Molekülgröße mit Öl und Wasser

Abschätzung der Größe eines einzelnen Moleküls

Wie Benjamin Franklin und Lord Rayleigh die Größe von Molekülen nur mit Öl und Wasser berechneten

• Jahrzehnte bevor Röntgenstrahlen entdeckt und leistungsfähige Mikroskope erfunden wurden, berechnete Lord Rayleigh die Größe eines einzelnen Moleküls allein mit Öl, Wasser und einem Stift
• Seine Inspiration stammte von Benjamin Franklin

Franklins Experiment

• Bei einem Besuch in London um 1770 beobachtete Franklin, dass sich die Wellen beruhigten, wenn während einer Atlantiküberquerung Öl vom Schiff ins Meer gelangte
• Er führte daraufhin am Teich von Clapham Common in London ein Experiment durch, bei dem er eine kleine Menge Öl ins Wasser goss
• Er stellte fest, dass sich das Öl rasch über die Teichoberfläche ausbreitete und das Wasser glättete
• Franklin wiederholte das Experiment mehrfach und dokumentierte es detailliert, verstand jedoch seine molekulare Bedeutung nicht

Lord Rayleighs Neuinterpretation

• Lord Rayleigh, ein Gelehrter aus Cambridge und berühmter Physiker, interpretierte Franklins Experiment aus einer neuen Perspektive neu
• 1890 ließ Lord Rayleigh eine exakt gemessene kleine Menge Olivenöl auf Wasser fallen und maß die Fläche, über die sich das Öl ausbreitete
• Er schätzte die Dicke des Ölfilms, indem er das Volumen des Öls durch die Fläche teilte
• Unter der Annahme, dass der Ölfilm aus einer einzelnen Molekülschicht bestand, berechnete er die Dicke des Films als Länge eines Moleküls

Lord Rayleighs Ergebnis

• Lord Rayleighs Berechnung ergab etwa 1,63 Nanometer
• Die tatsächliche Länge eines Triacylglycerol-Moleküls, des Hauptbestandteils von Olivenöl, beträgt etwa 1,67 Nanometer; Rayleighs Schätzung wich also nur um rund 2 % ab
• Sein Experiment zeigte, dass sich selbst mit einfachen Werkzeugen tiefgehende wissenschaftliche Einsichten gewinnen lassen

Weiteres Material

• Charles Tanfords Buch "Ben Franklin Stilled the Waves" untersucht die Geschichte dieses Öltröpfchen-Experiments eingehend

Zusammenfassung von GN⁺

• Dieser Artikel zeigt, dass selbst mit einfachen Experimentiermitteln wichtige wissenschaftliche Entdeckungen möglich sind
• Die Experimente von Benjamin Franklin und Lord Rayleigh unterstreichen, wie wichtig wissenschaftliche Neugier und Kreativität sind
• Der Artikel ist nützlich für Menschen, die sich für Wissenschaftsgeschichte und experimentelle Methodik interessieren
• Ähnliche Projekte mit vergleichbarer Ausrichtung sind unter anderem "Science Experiments You Can Do At Home"

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Im naturwissenschaftlichen Unterricht werden Gesetze und Theorien oft so präsentiert, als müsse man sie einfach auswendig lernen

  • Die Geschichten darüber, wie wissenschaftliche Theorien ursprünglich entdeckt wurden, sind viel interessanter und inspirierender
  • Man hat biochemische Stoffwechselwege gelernt, aber keinen Hinweis darauf bekommen, wie diese Wege entdeckt wurden
  • Empfehlungen für Veröffentlichungen, in denen andere wissenschaftliche Theorien erstmals vorgestellt wurden, sind willkommen

• 1676 schätzte Roemer die Lichtgeschwindigkeit, indem er die Umlaufbahn von Jupiters Mond Io maß

  • Wenn sich die Erde Jupiter nähert, erscheint Io jeden Tag ein wenig früher
  • Wenn sich die Erde von Jupiter entfernt, erscheint Io jeden Tag ein wenig später
  • Über ein Jahr ergibt sich ein Zeitunterschied von 22 Minuten
  • Durch die Berechnung der Strecke, die das Licht in 22 Minuten zurücklegt, schätzte er die Lichtgeschwindigkeit auf 227.000 km/s
  • Die tatsächliche Geschwindigkeit beträgt etwa 300.000 km/s

• Rayleigh schätzte die Dicke des Ölfilms, indem er das Volumen des Öls durch die Fläche teilte

  • Er nahm an, dass das Öl eine einzelne Molekülschicht bildet
  • Die Dicke des Ölfilms entspricht der Länge eines einzelnen Ölmoleküls
  • Rayleigh bestimmte als Erster die Größe eines einzelnen Moleküls

• Das erinnert an das Öltröpfchenexperiment von Millikan & Fletcher

  • Dabei wurde die Ladung des Elektrons gemessen
  • Man berechnete das Volumen, indem man die Fallzeit winziger Öltröpfchen maß
  • Mit einem bekannten elektrischen Feld wurden die Öltröpfchen in der Schwebe gehalten
  • Die berechneten Ladungen gruppierten sich als Vielfache eines kleinen Werts
  • Das war die Ladung eines einzelnen Elektrons

• Es wird die Frage aufgeworfen, ob die Annahme, dass sich Öl auf eine Dicke von nur einem Molekül ausbreitet, nicht bloß eine Vermutung war

  • Zweifel daran, ob die Oberflächenspannung das Öl dicker halten könnte
  • Es wird gefragt, ob es andere Hinweise gab, die auf eine Monoschicht hindeuteten

• Man hätte gern in der Schule einen Kurs über das „Design naturwissenschaftlicher Experimente“ gehabt

  • Darin würden historische Experimente erklärt und den Schülern Herausforderungen gestellt
  • Ein Kurs, in dem man lernt, wie man Experimente entwirft und durchführt, um die Größe der Erde zu schätzen, Phlogiston und den Lichtäther zu widerlegen oder die Lichtgeschwindigkeit zu messen

• In einer Physikvorlesung an der Universität wurde dieses Experiment nachgestellt

  • Es erforderte viel Arbeit, war aber lohnend und interessant
  • Die Anforderungen an die Ausrüstung passten zu einem Physiklabor für Studierende im Grundstudium
  • Falls möglich, wird sehr empfohlen, es selbst auszuprobieren